《模拟电子技术 第2版》韩党群；赵东波；刘勃妮|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《模拟电子技术 第2版》

【作　者】韩党群；赵东波；刘勃妮

【页 数】 323

【出版社】 西安：西安电子科技大学出版社 , 2021.12

【ISBN号】978-7-5606-6318-0

【价 格】52.00

【分 类】模拟电路-电子技术

【参考文献】 韩党群；赵东波；刘勃妮. 模拟电子技术 第2版. 西安：西安电子科技大学出版社, 2021.12.

图书封面：

图书目录：

《模拟电子技术 第2版》内容提要：

本书主要介绍半导体及其模拟器件的应用电路、相关知识和分析理论。全书共10章，内容包括二极管、三极管及其放大电路、场效应管及其放大电路、放大器的频率响应、集成运算放大器、反馈、运算放大器应用、功率放大电路、信号的产生与变换电路及直流稳压电源等，每章含相关电路的Multisim仿真内容，全书配套了PPT、习题答案及仿真案例的电子资源，供读者扫码下载，以方便学习和应用。本书适合作为普通高等院校电子信息类专业模拟电子技术课程的教材使用，亦可作为各类电子竞赛的培训用书及相关专业工程技术人员的参考资料。

《模拟电子技术 第2版》内容试读

第1章二极管

K

第1章

二极管

半导体材料的发现和使用是现代电子技术的基础。本章初步认识半导体材料及其性

质，进而学习半导体材料构成的PN结的结构、特性及二极管的分类与应用。

1.1害导体材料

自然界的物质种类繁多，形态各异，特性差别巨大，这才造就了这个

▣

神奇多彩的世界。在电学领域人们非常关注各种物质的导电性，按照导半导体材料电性的不同可以把物质划分为导体、绝缘体和半导体。大部分金属物质

如金、银、铜、铁等具有良好的导电性能，称为导体，导体的电阻率通常小于106Ω·m;橡胶、塑料、玻璃等物质导电性能极差，几乎不导电，称为绝缘体，绝缘体的电阻率大于102·。导电性能介乎导体与绝缘体之间的物质如硅、锗、硒等称为半导体，其电阻率在106~108Ω·m之间。半导体材料对于电子技术的发展起着决定性的作用，现代电子技术以及以此为基础发展起来的计算机技术、通信技术、信息处理技术等都是建立在半导体材料的应用基础之上的。

在长期研究和应用半导体材料的过程中，人们发现半导体材料具有许多独特的特性，主要体现在其热敏特性、光敏特性及掺杂特性上。所谓热敏特性是指半导体材料在不同的温度条件下其导电性能不同，比如热敏电阻就是利用半导体材料对温度变化的热敏特性制成的。所谓光敏特性是指半导体材料在受到不同波长、不同强度的光照射的情况下体现出的导电性能的变化，如光敏电阻、光敏二极管及光电池等都是利用半导体器件的光敏特性工作的。所谓掺杂特性是指在半导体材料中参入适量的杂质元素可以改变半导体材料的导电性能的特性，二极管、三极管及场效应等大量的半导体器件都是利用半导体材料的掺杂特性进行工作的。

1.1.1本征半导体

纯净且不含杂质的半导体材料称为本征半导体。这一类的物质从原子微观结构上看其

典型特征为通常具有4个价电子，位于元素周期表的第V主族，如硅和锗等。硅原子的

外围电子数为14，其对应的原子结构示意图如图1-1所示。

硅原子聚合在一起形成硅的晶体，其结构如图1-2所示。在晶体中每个硅原子与相邻的4个硅原子之间通过共用最外层的价电子形成稳定的共价键结构，这样每个硅原子通过与相邻原子之间共用价电子形成8个最外层电子的稳定结构。

本征半导体中的共价键结构并非牢不可破，受外界热能、光能的激发这些共价键可能断裂，即某些共价键中的电子受到激发挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在自由电子逃脱的位置留下一个“空位”，把这个空位称为空穴。每有一个共价键断裂，就对应形成一

。1·

模拟电子技

a…》

4

+4

图1-1硅原子结构图

图1-2硅的晶体结构

个自由电子和一个空穴，因此受外界能量激发而产生的自由电子和空穴总是成对出现的称为电子-空穴对。自由电子和空穴是半导体材料导电的载体，称为载流子。电子带负电，自由电子在本征半导体内部可以自由移动形成导电电流，称为电子电流；空穴带正电，空穴也可以导电，形成的导电电流称为空穴电流。空穴导电的原理可以这样理解：某个空穴临近的共价键断裂形成的自由电子被该空穴俘获，形成新的共价键，该空穴与自由电子复合消失，但是在新断裂的共价键的位置上又出现了一个新的空穴，可以把这个新出现的空穴看作是原来的空穴移动到了此处，空穴不断地被复合、移动、再复合、再移动就形成了空穴电流。

温度的变化对本征半导体中自由电子和空穴的浓度有较大的影响。以硅晶体为例，在

一273℃（即热力学温度0K)时本征半导体的共价键的价电子得不到足够的激发能量，保

持稳定，此时的半导体内部没有可自由移动的载流子，不能导电，相当于绝缘体。随着温度的上升，半导体材料的导电能力增强，当温度达到室温25℃时，硅晶体中自由电子的浓度达到1.45×101°/cm3。图1-3所示为载流子形成过程示意图，图中不受共价键束缚的黑点表示自由电子，自由电子挣脱后的位置上形成空穴，用空心小圆圈表示。温度越高，本征半导体受热激发产生的载流子浓度越高，导电能力越强。虽然温度升高可以激发出大量的载流子，但是受热激发而断裂的共价键占整个共价键的比例微乎其微，因此本征半导体即使受热激发产生了大量的载流子，其导电能力仍与金属导体的导电性能相差甚远。

电子

空穴

空穴

电子

图1-3载流子的形成

·2

第1章二极管

SSAASSS

1.1.2杂质半导体

本征半导体在半导体元器件的生产过程中主要充当基础材料来使用，通常在本征半导体中掺入微量的“杂质”元素构成杂质半导体。根据掺杂元素的不同，杂质半导体又可以分

为P型半导体和N型半导体。

1.P型半导体

在本征半导体中掺人微量的+3价元素，如硼、铟等，即可构成P型半导体，图1一4

所示为在硅材料中掺入硼元素形成的P型杂质半导体材料的晶体结构。掺人的十3价硼原

子在与硅原子形成共价键结构时，由于硼原子最外层只有3个价电子，因此每个硼原子只能与3个相邻的硅原子结合形成共价键结构，由于缺一个价电子不能与第4个相邻的硅原子形成共价键，这样就在该硼原子外部形成了一个空位，如果这个硼原子周围的硅晶体的共价键受激发断裂形成的自由电子被硼原子俘获，填补到该空位上就可以在硼原子外部形成4个完整的共价键结构了，此时的硼原子变成了一个不可移动的带负电的离子，而失去电子的位置上形成了一个带正电的空穴，此时整个半导体对外仍呈现电中性。参杂的浓度越高，杂质半导体材料中的空穴的浓度就

越高。在P型半导体中由于掺杂提供了大量

空位

+4

的空穴，因此空穴的浓度远高于因共价键激硼原子发断裂而产生的自由电子的浓度，因此把空

+4

+4

+4

穴称为多数载流子，简称多子，而自由电子

空穴

空穴

的浓度仅与激发产生的自由电子的浓度有

电子

+3

+4

关，并且数量极少，称为少数载流子，简称少

硼原子

子。由于掺人的杂质元素可以接收自由电子形成共价键结构，因此把掺入的杂质元素称

图1-4P型半导体

为受主元素。

2.N型半导体

在本征半导体中掺人少量的十5价元素，如磷、砷等，即可构成N型半导体。图1-5

所示为在硅材料中掺入少量磷元素形成的N

型杂质半导体的晶体结构。掺入的十5价磷原子在与硅原子形成共价键结构时，由于磷

电子

原子最外层价电子数为5个，每个磷原子与

+4

+4

周围的4个硅原子形成共价键后多出一个电磷原子子，该电子由于不受共价键的束缚成为自由

+4

电子，失掉一个电子的磷原子成为带正电的

空穴

电子

离子，但是整个杂质半导体对外显示电中性。

电子

+4

摻杂浓度越高，提供的自由电子的浓度就越

一磷原子

高，N型半导体材料的导电性就越好。每个

杂质原子提供一个自由电子，称为施主元素。

图1-5N型半导体

·3·

模拟电子技术…》

在N型半导体中除了杂质提供的大量的自由电子外，杂质半导体本身也会由于激发而产生

少量的电子一空穴对，因此自由电子的浓度远高于空穴的浓度，称为多子，而空穴称为少子。

1.1.3化合物半导体

由单一的硅、锗等第V主族元素构成的本征半导体也称为元素半导体，由几种元素

化合而成的半导体材料称为化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)及锑化铟(ISb)等。化合物半导体材料由于在某些方面的突出特性而使其得到广泛的应用。化合物半导体材料也可以通过掺杂得到对应的杂质半导体。

随着微电子技术的发展，砷化镓材料已是化合物半导体材料中应用最为广泛、相关技术最为成熟的材料。采用砷化镓材料制作的超高速集成电路和微波、毫米波单片集成电路是雷达电子对抗、高速计算机及卫星通信设备提高速度的关键电路，亦广泛用于蜂窝电话、数字个人通信、光纤通信以及航天系统等领域。采用砷化镓材料可制作半导体发光器

件，如发光二极管(LED)和固体半导体激光器(LD),尤其是以砷化镓材料制作的各种发光

二极管，具有耗电量小、寿命长、发热量少、反应速度快、体积小等许多优点，是当今半导

体照明工程中不可或缺的一大材料分支，其相关产品已在室内及户外显示、LCD背光源、

全彩显示屏、交通信号灯、汽车灯具等领域得到了广泛应用。

1.2PN结及其特性

通过半导体加工工艺把P型半导体与N型半导体紧密地结合在一

▣

起，在两种材料的接触面之间就形成了PN结。

PN结及其特性

1.2.1PN结的结构

P型半导体掺人的杂质元素提供导电空穴，空穴带正电，每个带正电

的空穴与提供该空穴的杂质离子一起对外显示电中性，如果杂质原子俘获了外来电子，复合掉了本身的空穴，则成为带负电的离子，则必然在其他位置由于失去电子而形成新的空穴，带负电的杂质离子与对应的空穴整体上对外仍然显示电中性。这里为研究问题简单起

见，我们认为P型半导体材料中每个杂质原子提供了一个带正电的空穴，而自身成为带负

电的离子。对于N型半导体而言，参入的杂质提供导电的自由电子，电子带负电，每个杂

质原子可以提供一个自由电子，而自身由于失去一个电子而带正电，成为带正电荷的离子。掺杂形成的离子是不能移动的，但是它可以参与导电，真正起导电作用的是空穴和自由电子。

当把两种不同的杂质半导体结合在一起时，在两种材料的接触面会出现什么现象呢？

P型半导体内部的多子为空穴，浓度远远高于少子电子的浓度；N型半导体的多子为电子，

其浓度远远高于少子空穴的浓度。当两种半导体材料结合在一起时，在接触面两侧，P型

半导体中空穴的浓度远远高于N型半导体中空穴的浓度，而N型半导体中电子的浓度又

远远高于P型半导体中电子的浓度。由于接触面两侧彼此的多子的浓度存在很大的差异，

因此浓度高的一侧的多子会向浓度低的一侧移动，使接触面两侧的多子的浓度趋于平衡，4

第1章二极管

k

把这种由于浓度差引起的载流子的移动称为扩散运动。图1-6所示为PN结形成开始阶

段多子扩散示意图。由于扩散运动的存在，N型半导体一侧的多子电子扩散到P型半导体

一侧，并与P型区的多子大量复合，P型区的空穴被复合以后只留下带负电的杂质离子；

同理，P型区的空穴扩散到N型区并与N型区的电子大量复合，N型区的电子被复合掉后

只留下带正电的杂质离子，把接触面两侧多子被复合后剩余的带电离子层称为耗尽层。由于杂质离子带电，将在接触面的两侧由带电离子形成一个区域电场，称为内电场，内电场

的方向由N型区指向P型区。内电场的形成对多子的扩散具有阻碍作用。随着扩散的持

续，两侧带电离子层越来越宽，内电场变得越来越强，电场对多子的扩散的阻碍作用越来

越强，多子的扩散变得越来越困难，越来越弱。图1-7所示为PN结的结构示意图。

P型

耗尽层

N型

P型

N型

8ooo⊙⊕®@©o

OOOO④⊕⊕④

内电场E

图1-6扩散运动

图1-7PN结结构示意图

其实，P型区和N型区都存在一定量的少子，少子的数量虽然少，但是双方的少子可

以彼此移动到对方参与导电，把少子的这种移动称为漂移运动。在P型区和N型区接触

之初，两边的多子浓度差大，多子扩散运动强烈，少子的漂移运动很弱，但是随着扩散的

持续，内电场出现并不断加强，内电场对于P型区的少子电子及N型区的少子空穴穿越接

触面有加速作用，因此，随着内电场的增强，扩散运动变得越来越弱，漂移运动却变得越来越强，最终扩散运动和漂移运动达到平衡，耗尽层不再加宽，内电场也稳定下来，把此

时存在于P型半导体材料和N型半导体材料接触面之间的这样一种结构就称为PN结。

它是接触面两侧多子的扩散运动与少子的漂移运动达到动态平衡的结果。PN结的发现和

应用对电子技术的发展起到了巨大的、基础的作用，如果没有PN结，很难想象现在的科

技发展会是一番什么样的状况！

1.2.2PN结的导电性能

给PN结的两侧施加不同电压，研究PN结在不同电压条件下的导电性能，并定义流

过PN结的电流与PN结两侧所加电压的关系为PN结的伏安特性。根据所加电压方向的

不同，PN结的伏安特性又分正向伏安特性和反向伏安特性。

1.正向伏安特性

给PN结外加直流电压，P型区接电源的正极，N型区接电源的负极，此时称PN结加

正向电压或PN结正偏，如图1-8所示。这里取流入P型区的电流I的方向为电流的参考

正方向，规定PN结上电压U的参考方向为P型区为正，N型区为负。由于外加电源的接

入，P型区注入了大量的正电荷，N型区注入了大量的电子，并且由于外加直流电压UE的

存在，在PN结的耗尽层的两侧建立起一个外加的电场E,,该电场与PN结的内电场E方

向相反，因此内电场E必然受到外加电场E,的削弱，E的削弱则有利于PN结两侧多子的

·5·

模拟电子技术…》

扩散，因此扩散运动加强，耗尽层被压缩变窄。当外加直流电压幅值足够高时，两侧的多

子的扩散运动足够强，耗尽层被压缩到完全消失，PN结呈现导通的状态。

耗尽层

P型

被压缩

N型

3oa白o cocoo00ooog

I/mA

日日日日：⊙①①©①①

25

内电场E

20

一外电场E1

15

10

R

00.20.40.60.81.0UW

图1-8PN结正偏

图1-9PN结正向伏安特性

图1-9为硅材料PN结加正偏电压时的伏安特性示意图，从图可以看出，当外加电压

幅值比较低时，PN结的导通电流几乎为零（其实此时的电流是有的，只是电流非常微弱，

忽略掉了)，但是随着外加电压的增加，PN结的导通电流开始出现，并且，在此之后随着

外加直流电压的增大电流急剧上升。把PN结电流近似为零的区域称为死区。PN结的正

偏导通电流随外加正偏电压的变化现象与PN结内部微观结构在正偏电压作用下的变化是

一致的。当正偏电压幅值较小时，PN结的耗尽层只是被压缩变薄，PN结两侧多子的扩散

仍然受到内电场的阻碍，电流很小；当外加正偏电压增加到一定幅值，耗尽层几乎被压缩消失，此时扩散电流出现并上升，之后随着外电压的增大而增大；当正偏电压足够强，内

部的耗尽层及内电场完全被瓦解，此时PN结两侧完全导通，外电压的增加全部转化为回

路电流的增加，电流上升显著。在图1一8所示的测试电路情况下，如果在PN结导通后显

著地调高外加电压U:的幅值，PN结两端的电压U并不会显著上升，而是近似为一个常

数，对于硅材料PN结，该电压约为O.6~0.7V,此时，电源电压主要消耗在回路串联电

阻R上。如果没有串联电阻R,给PN结直接施加较高的电压，PN结将产生很大的电流，

长时间工作必然造成PN结的损坏。

2.反向伏安特性

和正偏电压的方向相反，P型区接直流电源的负极，N型区接直流电源正极，称PN结

外加反向电压或PN结反偏。图1-10所示为PN结

耗尽层

反偏伏安特性测试电路。在此，仍规定流入PN结P

P型

被拉宽

N型

型区的电流方向为电流的正方向，PN结上电压的参

880⊙⊙9⊕eo'o

OO⊙日⊙④⊕⊕⊕④

考方向仍取P型区为正，N型区为负。可以看出，此

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时外加直流电压在PN结两侧产生一个外电场E,,该

日O⊙⊙⊙①①①o

外电场的方向与PN结本身内电场E的方向一致，因

内电场E

此相当于内电场E增强，耗尽层变宽，多子的扩散运

外电场E

动被进一步抑制。由于PN结两侧等效的电场增强，

有利于PN结两侧少子的漂移运动，因此反偏状态下

R

的PN结会有从N型区到P型区的漂移电流，但是由

。6

图1-10PN结反偏

···试读结束···